Los diamantes revelan secretos neurológicos

Podría decirse que el cerebro es una de las estructuras más complejas del universo conocido.

Los continuos avances en nuestra comprensión del cerebro y nuestra capacidad para tratar eficazmente una variedad de enfermedades neurológicas dependen del examen de los microcircuitos neuronales del cerebro con cada vez mayor detalle.

Una clase de métodos para estudiar circuitos neuronales se llama Voltaje Fotografía. Estas tecnologías nos permiten ver el voltaje generado por las neuronas en nuestro cerebro; nos dicen cómo se desarrollan, funcionan y cambian las redes de neuronas con el tiempo.

Hoy en día, las imágenes de voltaje de las neuronas cultivadas se realizan utilizando conjuntos densos de electrodos en los que se cultivan (o implantan) las células, o mediante la aplicación de tintes emisores de luz que responden ópticamente a los cambios de voltaje en la superficie celular.

Pero el nivel de detalle que podemos ver usando estas técnicas es limitado.

Los electrodos más pequeños no pueden distinguir de manera confiable las neuronas individuales, que tienen alrededor de 20 millonésimas de metro de diámetro, sin mencionar la densa red de nanouniones que se forman entre ellas, y no se ha logrado un progreso tecnológico significativo en este campo durante más de dos décadas.

Además, cada electrodo requiere su propia conexión de cable y amplificador, lo que impone limitaciones significativas en la cantidad de electrodos que se pueden medir simultáneamente.

Los tintes pueden superar estas limitaciones al generar imágenes inalámbricas del voltaje en forma de luz, lo que significa que los componentes electrónicos complejos se pueden colocar lejos de las celdas dentro de la cámara.

El resultado es una alta resolución sobre grandes áreas, capaz de distinguir cada neurona en una gran red. Pero aquí también hay limitaciones, las respuestas de voltaje a los últimos tintes son lentas e inestables.

Nuestra última investigación fue publicada en Fotónica de la naturalezaexplora un nuevo tipo de plataforma de imágenes de voltaje escalable de alta resolución y alta velocidad creada con el objetivo de superar estas limitaciones: el microscopio de imágenes de voltaje de diamante.

Desarrollado por un equipo de físicos de la Universidad de Melbourne y la Universidad RMIT, el dispositivo utiliza un sensor de diamante que convierte las señales de voltaje en su superficie directamente en señales de luz, lo que significa que podemos ver actividad eléctrica como sucede.

La conversión utiliza las propiedades de un defecto de escala atómica en la estructura cristalina del diamante conocido como vacío de nitrógeno (NV).

Los defectos NV se pueden diseñar bombardeando el diamante con un haz de iones de nitrógeno utilizando un tipo especial de acelerador de partículas. La fabricación de sensores comienza utilizando este proceso para crear una capa ultrafina de alta densidad de defectos NV cerca de la superficie del diamante.

Puede pensar en cada defecto NV como un cubo que contiene hasta dos electrones. Cuando este cubo está vacío, el defecto NV está oscuro. Con un electrón, el defecto NV emite una luz naranja cuando es iluminado por el láser; esta propiedad se conoce como fluorescencia. Con dos electrones, el color de la fluorescencia se vuelve rojo.

a NV Defecto detectado es que la cantidad de electrones que contienen, y la fluorescencia resultante, pueden controlarse mediante un voltaje eléctrico. A diferencia de los tintes, la respuesta de voltaje del defecto NV es muy rápida y estable.

Nuestra investigación tiene como objetivo superar el desafío de hacer que este efecto sea lo suficientemente sensible para obtener imágenes de la actividad neuronal.

En la superficie del diamante, la estructura cristalina termina con una capa de un átomo de espesor, que consta de átomos de hidrógeno y oxígeno. Los defectos NV más cercanos a la superficie son más sensibles a los cambios de voltaje fuera del diamante, pero también son muy sensibles a la estructura atómica de la capa superficial.

Tanto hidrógeno y NV son tan oscuros que las señales de luz que estamos buscando no se pueden ver. Tan poco hidrógeno y NV son tan brillantes que las pequeñas señales que buscamos simplemente desaparecen.

Por lo tanto, existe una «zona dorada» para las imágenes de voltaje, donde la superficie contiene la cantidad adecuada de hidrógeno.

Para acceder a esta región, nuestro equipo desarrolló un método electroquímico para la eliminación controlada de hidrógeno. Al hacerlo, pudimos lograr sensibilidades de voltaje que son 2 veces mejores que las reportadas anteriormente.

Probamos el sensor en agua salada usando un cable microscópico diez veces más delgado que un cabello humano. Al aplicar una corriente, el alambre puede producir una pequeña nube de carga en el agua sobre el diamante. La formación y posterior difusión de esta nube de carga da como resultado pequeñas tensiones en la superficie del diamante.

Al capturar estos voltajes a través de un registro de alta velocidad de la fluorescencia NV, podemos determinar la velocidad, la sensibilidad y la resolución de nuestro corte de imagen de diamante.

Pudimos mejorar aún más la sensibilidad dando forma a la superficie del diamante en «nanopilares»: estructuras cónicas con centros NV incrustados en sus puntas. Estos pilares desvían la luz emitida por las NV hacia la cámara, lo que aumenta considerablemente la cantidad de señal que podemos captar.

Con el desarrollo de un microscopio de imágenes de voltaje de diamante para detectar la actividad neuronal, el siguiente paso es registrar la actividad de las neuronas cultivadas en el laboratorio: estos son experimentos con células cultivadas fuera de su contexto biológico normal, conocido como tubo de ensayo o placa de Petri. experimento.

Lo que distingue a esta técnica de lo último en el laboratorio es la combinación de alta resolución espacial (del orden de una millonésima de metro o menos), gran escala espacial (unos pocos milímetros en cada dirección, que una red de neuronas en mamíferos es muy vasto), y completa estabilidad en el tiempo.

Ningún otro sistema puede presentar estas tres cualidades simultáneamente, y es esta combinación la que permitirá que la tecnología Made in Melbourne haga una valiosa contribución al trabajo de los neurocientíficos y neurofarmacólogos a nivel mundial.

Nuestro sistema ayudará a estos investigadores a obtener conocimientos básicos y la próxima generación de tratamientos para enfermedades neurológicas y neurodegenerativas.